看重節(jié)“鈾”減排輻射小于天然環(huán)境中國核燃料循環(huán)執(zhí)行“閉計劃”

◎本刊主筆　季天也

看重節(jié)“鈾”減排輻射小于天然環(huán)境中國核燃料循環(huán)執(zhí)行“閉計劃”

◎本刊主筆季天也

前些時，一則有關(guān)“核燃料循環(huán)項目選址”的消息，引發(fā)輿論熱議。然而多數(shù)人并不了解核燃料循環(huán)是個“神馬東東”。那么從科學(xué)的角度看，所謂的核燃料循環(huán)是個什么項目？建它干嗎用呢？

用過的鈾燃料棒，之后可以回收再制成钚燃料，即混合氧化物核燃料（MOX）。圖為钚燃料的制造工廠。

法國阿格核循環(huán)廠的工人正在作業(yè)

世界核燃料循環(huán)方法有兩種

核燃料循環(huán)，指的是核燃料從鈾礦開采冶煉后的純化轉(zhuǎn)化開始，到反應(yīng)堆中發(fā)電、核燃料后處理廠回收利用、廢物處置的整套過程。以核電站反應(yīng)堆為過程分界線，鈾純化轉(zhuǎn)化，鈾濃縮及燃料加工制造等，被稱為核燃料循環(huán)前端；用過的核燃料（即乏燃料）從反應(yīng)堆里卸出來后，經(jīng)歷的冷卻儲存、后處理、回收復(fù)用或最終處置等過程，則稱為后端。

乏燃料的安全出路有兩條，一是“一次通過”策略，即乏燃料不再用了，將其按照高放射性廢物的處置方法，把乏燃料經(jīng)冷卻和特殊包裝后長期貯存，或進行500～1000米的深埋，以屏蔽放射性和衰變熱。這種方法屬于開式循環(huán)，采用此方法代表國家有美國、加拿大、西班牙、瑞典、芬蘭等。二是后處理策略，即回收乏燃料中還沒燒完和仍有利用價值的鈾、钚等放射性核素，其余的再按放射性等級分門別類進行處理，屬于閉式循環(huán)，代表國家有法國、中國、英國等。

采用哪種循環(huán)方案，是由成本、安全性、地理條件等諸多因素綜合決定的，各國都有基于各自國情的考慮，方案本身并沒有絕對的好壞之分，都是需要高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求的技術(shù)活。關(guān)于處理放射性廢物的更多信息，《環(huán)境與生活》2015年8月號《處理好的核廢物 輻射小于X光》一文有詳細(xì)介紹，這里就不再贅述啦。

鈾資源開發(fā)冶煉難度不低，總量也不大。出于省“鈾”和廢物減排的考慮，我國早在上世紀(jì)80年代核電發(fā)展之初，就確定了閉式燃料循環(huán)方案。

核燃料循環(huán)示意圖

核燃料芯塊，由處理過的鈾制成。

核循環(huán)廠輻射相當(dāng)每年兩次胸透

我國擬建的核燃料循環(huán)項目，就是負(fù)責(zé)閉式循環(huán)后端環(huán)節(jié)的后處理部分。

2013年，中核集團與世界核燃料循環(huán)后端的龍頭企業(yè)法國阿?，m集團（Areva），簽署了大型商業(yè)后處理-再循環(huán)工廠項目合作意向書。2014年3月，在中法兩國領(lǐng)導(dǎo)人的見證下，中核集團與阿?，m集團簽署了關(guān)于后處理再循環(huán)長期合作諒解備忘錄。中國核循環(huán)項目將參照法國阿格核循環(huán)廠，采用國際先進后處理再循環(huán)技術(shù)，由中核集團負(fù)責(zé)建設(shè)，法國阿?，m集團承擔(dān)總體技術(shù)責(zé)任。項目計劃占地3平方公里，由國家專項基金投資，總投資超千億元，預(yù)計2020年開工，2030年正式投入運行。建成后，中國將具備800噸/年的乏燃料后處理能力。

據(jù)成都《每日經(jīng)濟新聞》報道，這個核燃料循環(huán)項目落地前，除了目前大家看到的在各地進行廠址擬選外，還將進行比選，選出最優(yōu)廠址，然后要經(jīng)歷環(huán)境影響評價、安全分析等多個環(huán)節(jié)的審批程序。按照國家核項目要求，選址工作會在山東、江蘇、浙江、福建、廣東和甘肅6省展開，江蘇連云港只是候選廠址之一。實際進展方面，由于合同金額高昂，涉及的技術(shù)復(fù)雜等原因，項目落地的幾大必要條件中，連最基本的談判都沒有完成，所謂的“落戶連云港”連八字還沒一撇呢。

大家最關(guān)心的是，這樣的核燃料循環(huán)項目會給周邊帶來多少放射性呢？據(jù)法國阿格核燃料循環(huán)廠多年監(jiān)測的數(shù)據(jù)表明，該工廠給產(chǎn)業(yè)園區(qū)附近公眾帶來的平均輻射劑量為30微希/年。這是什么概念呢？舉個例子來說明，我們在中國的日常生活中，接受的天然本底輻射劑量約為3.1毫希/年（1毫希=1000微希），相當(dāng)于阿格核燃料循環(huán)廠的100倍?？梢姡粋€核循環(huán)廠的輻射水平微乎其微。此外，照一次X射線胸透約為20微希，乘坐飛機為3微希/小時，就連人體內(nèi)參與生理活動的鉀元素都有每年390微希的貢獻(xiàn)度。

從核電站到后處理廠，乏燃料的運輸有一套嚴(yán)密的體系，按照《放射性物品運輸安全管理條例》相關(guān)規(guī)定，運輸之前需要做環(huán)境影響評價、安全分析等報批，要對路線、時間、物品的質(zhì)量、應(yīng)急措施等提出非常明確的計劃。

世界核燃料循環(huán)后端的龍頭企業(yè)——法國阿?，m集團下屬的阿格核循環(huán)廠

中國的乏燃料快沒處放了

當(dāng)然，安全不過是建核燃料循環(huán)廠的準(zhǔn)入指標(biāo)，之所以打算建設(shè)還是出于剛需。

必須承認(rèn)，乏燃料放射性強、半衰期長、化學(xué)毒性大，如果按“一次通過”法進行深層地質(zhì)處置，其放射性需要10萬年以上才能衰變到天然鈾礦的水平。如果對乏燃料進行后處理，回收有用的鈾、钚材料，這樣既提高了鈾資源的利用率，又降低了廢物的放射性危害和化學(xué)毒性。以全球主力堆型——高壓輕水反應(yīng)堆（簡稱壓水堆）為例，一臺百萬千瓦級功率的核電機組，每年產(chǎn)生的乏燃料為20噸至25噸。環(huán)保部核與輻射安全中心2016年6月發(fā)表的《全球乏燃料后處理現(xiàn)狀與分析》論文指出，全球目前累計卸出的乏燃料約35萬噸，其中僅1/3經(jīng)過了后處理，其余的都貯存在核電站中。到了2020年，全球的乏燃料將達(dá)到44.5萬噸。阿?，m中國官網(wǎng)資料稱，隨著中國核電建設(shè)的推進，預(yù)計在2020年，中國的乏燃料累計儲量將達(dá)到1萬噸，所有機組的乏燃料年產(chǎn)量將有1500噸。目前，我國大亞灣、田灣核電站貯存乏燃料的能力已經(jīng)飽和，商用大型乏燃料后處理廠又尚未開建，亟待發(fā)展乏燃料后處理能力。

美國北卡羅來納州布朗斯維克核電站乏燃料池里的能源組件，被至少7米深的水覆蓋。

能用的天然鈾不足1%

核燃料循環(huán)還有更重要的一點：省“鈾”。

中國并非富鈾國家。世界核協(xié)會2013年統(tǒng)計，中國可開采鈾資源儲量近20萬噸，只有全球的4%。隨著核電機組的增加，中國對鈾資源的需求也越來越大。未雨綢繆地建設(shè)與中長期核能發(fā)展規(guī)劃相匹配的乏燃料后處理/再循環(huán)項目，讓乏燃料變廢為寶，對于我國核電發(fā)展的可持續(xù)性和放射性廢物安全性來說，確實是個急茬兒。

雖然核能有著無與倫比的能量密度——1公斤核燃料的能量頂?shù)蒙?70多噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但從鈾資源利用率的絕對數(shù)值上看，現(xiàn)階段反應(yīng)堆仍然是挺費“鈾”的。

核燃料中，負(fù)責(zé)裂變供能的是核子數(shù)為235的鈾-235，還有少量鈾-238吸收中子后轉(zhuǎn)化而來的钚-239。鈾-235是地球上唯一天然存在的易裂變核素?！翱拥钡氖牵?235在天然鈾資源中的含量僅有0.711%，其余99%以上幾乎都是不易裂變的“兄弟”——比它多3個中子的鈾-238，被稱為可轉(zhuǎn)換材料。

輕水反應(yīng)堆（包括壓水堆和沸水堆）燃料中鈾-235含量為3%～5%，即低濃縮鈾。生產(chǎn)1噸鈾-235含量為3%的低濃縮鈾，需要5.5噸天然鈾原料，其余這4.5噸貧化鈾中的鈾-235比例則下降到0.2%左右，沒有工業(yè)價值。

乏燃料循環(huán)后放射性廢物大減

當(dāng)核燃料中的鈾-235“燒”到一定程度，剩下的易裂變材料不足以繼續(xù)提供穩(wěn)定的能量輸出，導(dǎo)致反應(yīng)堆發(fā)電功率下降，這時的核燃料就成了乏燃料。所以，要在這個節(jié)點之前停止反應(yīng)堆運行，把燒“乏”的燃料從反應(yīng)堆中卸出來，再換上一部分新的燃料接著發(fā)電。如果按“一次通過”法處理，整個核循環(huán)周期鈾資源綜合利用率只有0.6%左右，和全球水資源境況一樣——總量不低，能用的淡水卻沒多少。

重水堆對鈾-235含量要求不高，直接用天然鈾作燃料就能正常發(fā)電，鈾資源利用率比輕水堆高38%。相應(yīng)地，乏燃料中剩下的易裂變核素很少，目前沒有回收價值。這也是以重水堆為主力的加拿大不回收乏燃料的原因之一。

乏燃料的大致組成，是95%的鈾、4%的裂變產(chǎn)物和1%的钚，絕非廢料。如果把乏燃料中的鈾-235“榨”出來重新回到反應(yīng)堆作燃料，一次循環(huán)就可節(jié)約天然鈾15%～20%；如果隨裂變反應(yīng)生成的钚239也一并回收復(fù)用，則一次循環(huán)可節(jié)約35%～40%的天然鈾，相當(dāng)于把鈾資源的綜合利用率提高到0.8%以上；反復(fù)循環(huán)利用的話，甚至可以達(dá)到1%，效率比開式核循環(huán)提升了2/3。此外，核反應(yīng)產(chǎn)生的镎、镅、鋦等超鈾元素，以及可用作商用放射源的裂變產(chǎn)物，如銫-137、鍶-90等，也具有回收價值。

經(jīng)過后處理工序，乏燃料中真正淪為高放射性廢物的只剩不到4%，既減少了資源占用，又提升了核廢料的安全性。

核電占比超七成的法國，有17%的電力是從乏燃料中回收復(fù)用的核燃料發(fā)出來的，其商用乏燃料后處理及再循環(huán)工業(yè)無論規(guī)模、工藝成熟度、技術(shù)先進性，都是全球的楷模。

作為“旗艦級”核燃料循環(huán)廠，法國阿格廠的乏燃料后處理能力約為1700噸/年，滿負(fù)荷運行可承擔(dān)90～100臺百萬千瓦級核電機組的后處理需求，不僅為法國本土所用，還接日本、西班牙、瑞典等國的“國際訂單”。

快堆：用好另外99%的鈾

有人可能會問，這后處理也不過是把鈾資源利用率提高到1%，還是沒有質(zhì)的提升啊。這個難題，要留給未來的快中子反應(yīng)堆來解決。

中子，是組成原子核的基本粒子之一。在核反應(yīng)堆中，它負(fù)責(zé)像子彈一樣地轟擊鈾-235，從而啟動和維持核反應(yīng)。中子的運動速度有快有慢，鈾-235只喜歡速度為2.2公里/秒的慢中子，也叫熱中子。前面說的輕水堆和重水堆，都是靠熱中子來運轉(zhuǎn)的。然而，天然鈾中那99%的鈾-238卻十分喜歡速度高達(dá)1.4萬公里/秒的快中子。它吸收一個中子后先變成不穩(wěn)定的鈾-239，很快又衰變成另一種易裂變核素钚-239，其裂變反應(yīng)釋放的能量比鈾-235還大。

核反應(yīng)過程中，易裂變核素在同一時間內(nèi)的產(chǎn)生量與消耗量之比，叫做轉(zhuǎn)換比。輕水堆的轉(zhuǎn)換比約0.6，重水堆為0.8。而快堆的轉(zhuǎn)換比大于1，也就是說燃料越燒越多。這樣一來，天然鈾資源的利用率一下就躍升到60%～70%，比走“一次通過”路線的壓水堆高100倍。

快堆的這個特性，讓全球可利用的鈾資源大大擴展，熱中子堆產(chǎn)生的乏燃料、鈾濃縮用剩下的貧化鈾尾料以及原本因鈾-235含量過低而沒有開采價值的部分天然鈾礦，一下子都有了用武之地。

在考慮核電增長的情況下，如果全以熱中子堆計算，現(xiàn)有的廉價鈾資源只能滿足人類50年左右的核電需求。而如果都以快中子堆計算，這個“續(xù)航”能力可以立翻50倍！

遺憾的是，雖然實驗性快堆已有相當(dāng)長的運行經(jīng)驗，但商業(yè)化尚未成熟。不過，快堆可以有效地將熱堆產(chǎn)生的長半衰期核素轉(zhuǎn)化成短半衰期核素，所以繼續(xù)發(fā)展還是很有必要的。

本欄目責(zé)編/季天也jtyair2013@vip.163.com